能源、航天、电子等领域对材料热性能复杂化的需求日渐突出。为应对材料热性能需实时调控的局面,本文提出基于定向性调控热导率的方法:外场控制下低维颗粒在液体中定向对齐分布,沿此定向方向热导率比未施加外场时提高,且热性能变化具有可逆性。本文采用分子动力学模拟和实验方法对这种热导率可外场调控的热智能材料的制备和热性能测试,以及与其机理相关的非球形颗粒转动扩散,外场控制的定向行为进行了较系统的研究。转动扩散为质量在粒子自身球坐标系下的输运,基于统计理论提出棒状颗粒转动扩散系数计算的三种方法及可应用于片状颗粒的扩散张量,分别用于碳纳米管和石墨烯转动扩散的分子动力学模拟。实验研究稀土微米棒的自由、受限转动及大肠杆菌的受限转动,揭示转动形式、生物活性对转动扩散有显著影响。模拟与实验结果表明基于连续性流体力学的棒状颗粒转动扩散系数的传统理论公式具有局限性。利用分子动力学模拟观察到碳纳米管在剪切流场中呈现完全定向、间断定向、随机取向三种定向行为,定向方向与流场方向呈10°,定向度和转动扩散系数在不改变碳纳米管直径时存在负相关关系。在直流电场下不带电矩形石墨烯在水中可出现定向行为,石墨烯平面平行于电场方向,水分子偶极矩在电场下的取向特点以及定向度与转动扩散系数的负相关关系可合理解释定向规律。对于不同外场控制的棒状和片状纳米颗粒,其转动定向本质上都是外场和布朗转动的共同作用。微流体实验结果表明“花生状”非球形聚苯乙烯微胶粒在温度梯度场下以随机布朗转动为主,体现出微弱的定向性。微胶粒在温度梯度场下的热泳可由表面活性剂调控,当胶粒表面亲水性增强时,胶粒向热端运动趋势愈加显著,非球形胶粒向热端运动趋势小于相似尺寸球形胶粒。制备获得氧化石墨烯-硅油热智能材料,实验表明热智能材料在直流电场下出现定向纤维链状结构,链的指向与电场方向平行,且随着电场强度的增大链状结构定向性提高。在25°C和50°C下,施加300 V/mm直流电场,颗粒质量分数为1%的分散液热导率可调控范围为100%~130%。理论初步预测质量分数增大到15%可使热导率调控范围增大至约100%~200%。